Monitorización de la salud estructural (SHM) en estructuras aeroespaciales

Monitorización de la salud estructural (SHM) en estructuras aeroespaciales

Sobre el Libro

Monitorización de la salud estructural (SHM) en estructuras aeroespaciales [Structural Health Monitoring (SHM) in Aerospace Structures] es un libro de 492 páginas editado por Fuh-Gwo Yuan. Fue publicado por la editorial Woodhead Publishing en el año 2016 en su primera edición.

Descripción del Libro

Structural Health Monitoring (SHM) in Aerospace Structures ofrece a los lectores los espectaculares avances que se han producido en los últimos veinte años en el ámbito de la monitorización de la salud estructural (SHM). La adopción generalizada de la SHM podría mejorar significativamente la seguridad y reducir los gastos de mantenimiento y reparación, que se calcula que suponen una cuarta parte de los costes operativos de una flota de aviones.

El campo de la SHM abarca áreas transdisciplinarias, como los materiales inteligentes, los sensores y actuadores, el diagnóstico y el pronóstico de daños, los algoritmos de procesamiento de señales e imágenes, la detección inteligente inalámbrica, la fusión de datos y la recolección de energía. Este libro se centra en la aplicación de las técnicas de SHM a las estructuras aeronáuticas, con especial énfasis en los materiales compuestos, y se divide en cuatro partes principales.

La primera parte ofrece una visión general de las tecnologías SHM para la detección, el diagnóstico y el pronóstico de daños en estructuras aeroespaciales. La segunda parte pasa a analizar los materiales inteligentes para SHM en estructuras aeroespaciales, como los materiales piezoeléctricos, las fibras ópticas y la flexoelectricidad. Además, se incluyen dos técnicas de recolección de energía basadas en la vibración para alimentar sensores inalámbricos basados en el acoplamiento electromecánico piezoeléctrico y la levitación diamagnética. La tercera parte explora las tecnologías innovadoras de SHM para el diagnóstico de daños en estructuras aeroespaciales. Los capítulos de esta sección incluyen técnicas de imagen de matriz dispersa y técnicas de matriz de fase para la detección de daños. La sección final del volumen detalla las tecnologías SHM innovadoras para el pronóstico de daños en estructuras aeroespaciales.

Este libro es una referencia clave para los investigadores que trabajan en la industria, el mundo académico y las agencias gubernamentales de investigación que desarrollan nuevos sistemas para la SHM de estructuras aeroespaciales y los científicos de materiales.

Proporciona información clave sobre el potencial de la SHM para reducir los costes de mantenimiento y reparación
Analiza las tecnologías SHM y los sistemas de detección actuales, destacando la innovación en cada área
Incluye capítulos sobre materiales inteligentes como los polímeros electroactivos y las fibras ópticas

Reseña del Libro

Como una visión de las técnicas de monitorización de la salud estructural (SHM) y su aplicación a las estructuras de las aeronaves que incluye un énfasis particular en los materiales compuestos, este libro ofrece a los lectores información sobre el espectacular progreso que ha tenido lugar en los últimos veinte años, incluyendo áreas transdisciplinarias como los materiales inteligentes, los sensores y actuadores, y el diagnóstico y pronóstico de daños, entre otros

Sobre el autor

  • Doctor en Mecánica Teórica y Aplicada, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
  • Máster en Mecánica Teórica y Aplicada, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
  • Licenciado en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional Cheng-Kung.

Actualmente, el Dr. Yuan está desarrollando métodos de diagnóstico y pronóstico estructural (que implican la evaluación de la vida útil restante de las estructuras mediante herramientas de análisis estadístico y de fallos), un sensor inalámbrico que supervisa la integridad estructural, además de métodos para sensores in situ, montados/incorporados para estructuras compuestas multifuncionales. También está estudiando las tecnologías de morphing bioinspiradas para estructuras civiles, mecánicas y aeroespaciales.

Tabla de Contenido

  • Primera parte: Tecnologías SHM para la detección, el diagnóstico y el pronóstico de daños en estructuras aeroespaciales: aplicación y uso eficiente.
  • Segunda parte: Materiales inteligentes para SHM en estructuras aeroespaciales.
  • Tercera parte: Tecnologías SHM innovadoras para el diagnóstico de daños en estructuras aeroespaciales.
  • Cuarta parte: Tecnologías SHM innovadoras para el pronóstico de daños en estructuras aeroespaciales.

A continuación se muestra un extracto del libro:

Primera parte: Tecnologías SHM para la detección, el diagnóstico y el pronóstico de daños en estructuras aeroespaciales: aplicación y uso eficiente.

1. Gestión integrada de la salud del vehículo en las estructuras aeroespaciales

R.W. ROSS Nasa Langlry Hessarch Destes Humprern, A Peltod Brotes

Resumen

Para satisfacer el aumento previsto de la demanda de transporte aéreo y espacial en las próximas décadas, se necesitarán nuevas tecnologías para mantener el funcionamiento seguro y eficiente de estos vehículos. Los métodos de inspección y control de la salud de las estructuras permiten detectar con antelación los daños o la degradación de los componentes críticos, lo que permite tomar medidas correctivas para que los componentes del vehículo puedan cumplir su función de forma segura y económica. La gestión integrada del estado de los vehículos permite que los vehículos actuales y futuros funcionen de forma segura y eficiente en entornos difíciles y cumplan los requisitos operativos. Los métodos de evaluación probabilística del estado de los vehículos y de modelización predictiva permiten diseñar y operar de forma segura y eficiente los vehículos aeroespaciales sin ser excesivamente conservadores. La combinación de modelos predictivos con la monitorización continua del estado de los vehículos garantiza a los responsables de la toma de decisiones que estos modelos reflejan con precisión el estado de un vehículo a lo largo de toda su vida útil, lo que permite utilizar los modelos de ingeniería de sistemas basados en la simulación como una herramienta eficaz para garantizar el éxito de las misiones.

Palabras clave

Gemelo digital; Gestión integrada de la salud del vehículo; Pronóstico; Ingeniería de sistemas basada en la simulación; Monitorización de la salud estructural.

1.1. Introducción

La monitorización de la salud estructural (SHM) facilita la detección y caracterización de los daños en una estructura o componente que pueden afectar a su capacidad para desempeñar plenamente y con seguridad su función prevista. Farrar y Worden (2007) definieron los daños como “cambios introducidos en un sistema que afectan negativamente a su rendimiento actual o futuro”. El objetivo de la SHM es identificar estos cambios en la primera oportunidad posible, de modo que se puedan tomar medidas correctivas para minimizar el tiempo de inactividad, los costes operativos y los costes de mantenimiento, y para reducir el riesgo de fallos catastróficos, lesiones o incluso la pérdida de vidas.

La gestión de la salud (SHM) y las tecnologías de gestión de la salud relacionadas con ella han desempeñado un papel importante en la protección de la maquinaria y los componentes de los vehículos frente a la degradación del rendimiento y los fallos, y es probable que las tecnologías futuras amplíen estas capacidades a vehículos y sistemas muy complejos. Las tecnologías de gestión de la salud seguirán evolucionando en cuanto a inteligencia, pasando de los simples equipos de medición y prueba de las décadas pasadas a sistemas altamente inteligentes capaces de tomar decisiones basadas en predicciones del rendimiento futuro y la vida útil restante. Se ha aplicado una terminología diferente a estas tecnologías, que refleja su nivel de madurez y alcance, así como su grado de capacidad, inteligencia y automatización, como se muestra en la Fig. 1.1. En esta sección se analizan estas tecnologías y sus contribuciones a la gestión de la salud.

Históricamente, la monitorización de la condición (CM), que está estrechamente asociada a la GSS, se ha utilizado ampliamente y con éxito para diagnosticar averías y daños en maquinaria rotativa y reciprocante a intervalos regulares (Bently y Hatch, 2003). El uso de la MC para estas aplicaciones ha tenido mucho éxito por tres razones. En primer lugar, el equipo que se supervisa suele funcionar de manera constante en condiciones de funcionamiento y ambientales bien conocidas. En segundo lugar, se dispone de grandes cantidades de datos, tanto para condiciones nominales como no nominales, y se conocen bien los modos de fallo. Por último, existe un incentivo financiero fuerte y bien definido para proporcionar CM.

A pesar del éxito de la GC en las máquinas rotativas y recíprocas, en muchas otras aplicaciones las tecnologías de supervisión de la salud han tenido menos éxito. Una de estas aplicaciones es la monitorización de la salud de los vehículos y sistemas de transporte, tanto aeroespaciales como de automoción. Estos vehículos operan bajo un amplio espectro de condiciones ambientales y operativas de manera cambiante y a menudo impredecible, lo que hace extremadamente difícil identificar todos los escenarios de funcionamiento nominales y no nominales. En consecuencia, es mucho más difícil identificar definitivamente los daños en estas condiciones, lo que puede dar lugar a falsas indicaciones de daños. Debido a la complejidad del problema, y sin una fuerte confianza en la precisión del diagnóstico, los beneficios económicos de la GSS son igualmente difíciles de cuantificar.

A pesar de estos desafíos, la comunidad de la salud estructural ha hecho progresos significativos hasta la fecha, aunque queda mucho trabajo por hacer. Muchos investigadores y organizaciones se han centrado en abordar aspectos concretos de la GSS, y sus definiciones de GSS reflejan la diversidad de estas áreas de interés. El comité G-11 SHM para la monitorización y gestión de la salud estructural, Comité Directivo de la Industria Aeroespacial, aborda la necesidad de una medición fiable de los sensores y el diagnóstico de daños, definiendo SHM como “el proceso de adquisición y análisis de datos de los sensores a bordo para evaluar la salud de una estructura” (SAE International, 2013).

Farrar y Worden (2007) destacaron la importancia del análisis de características, como se refleja en su definición de SHM como “la observación de una estructura o sistema mecánico a lo largo del tiempo utilizando mediciones espaciadas periódicamente, la extracción de características sensibles a los daños a partir de estas mediciones y el análisis estadístico de estas características para determinar el estado actual de salud.”

La Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA) abordó los aspectos operativos de la SHM, centrándose no sólo en las consecuencias de la pérdida de la integridad estructural, sino también en el impacto sobre la seguridad y el rendimiento de los vehículos aeroespaciales debido a los daños o la degradación. Los investigadores de la NASA (Seshadri et al., 2014) definen la gestión de la salud estructural como “una evaluación continua de la integridad estructural para aumentar la seguridad y el rendimiento dentro de las limitaciones de diseño para cumplir los requisitos operativos.” La NASA utiliza la SHM para el funcionamiento seguro y eficiente de los vehículos espaciales para cumplir los objetivos de la misión.

Fin del extracto.

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